Acetilación y desacetilación de histonas
Procesos biológicos utilizados en la regulación genética
Estructura cristalina de la partícula central del nucleosoma, compuesta por las histonas centrales H2A , H2B , H3 y H4 y ADN. La vista es desde arriba a través del eje superhelicoidal.

La acetilación y desacetilación de histonas son los procesos mediante los cuales los residuos de lisina dentro de la cola N-terminal que sobresale del núcleo de la histona del nucleosoma se acetilan y desacetilan como parte de la regulación genética .

La acetilación y desacetilación de histonas son partes esenciales de la regulación génica . Estas reacciones suelen estar catalizadas por enzimas con actividad de " histona acetiltransferasa " (HAT) o " histona desacetilasa " (HDAC). La acetilación es el proceso en el que un grupo funcional acetilo se transfiere de una molécula (en este caso, acetil coenzima A ) a otra. La desacetilación es simplemente la reacción inversa en la que se elimina un grupo acetilo de una molécula.

Las histonas acetiladas , proteínas octaméricas que organizan la cromatina en nucleosomas , la unidad estructural básica de los cromosomas y, en última instancia, estructuras de orden superior, representan un tipo de marcador epigenético dentro de la cromatina . La acetilación elimina la carga positiva de las histonas, disminuyendo así la interacción de los extremos N de las histonas con los grupos fosfato cargados negativamente del ADN . Como consecuencia, la cromatina condensada se transforma en una estructura más relajada que se asocia con mayores niveles de transcripción génica . Esta relajación se puede revertir mediante la desacetilación catalizada por la actividad de HDAC. El ADN relajado y transcripcionalmente activo se conoce como eucromatina . El ADN más condensado (más compactado) se conoce como heterocromatina . La condensación puede producirse mediante procesos que incluyen la desacetilación y la metilación. [1]

Mecanismo de acción

Las colas de histonas y su función en la formación de la cromatina

Los nucleosomas son porciones de ADN de doble cadena (dsADN) que se envuelven alrededor de complejos proteicos llamados núcleos de histonas. Estos núcleos de histonas están compuestos por 8 subunidades, dos de cada una de las histonas H2A , H2B , H3 y H4 . Este complejo proteico forma una forma cilíndrica alrededor de la cual se envuelve el dsADN con aproximadamente 147 pares de bases. Los nucleosomas se forman como un paso inicial para la compactación del ADN que también contribuye al soporte estructural y cumple funciones funcionales. [2] Estas funciones funcionales son aportadas por las colas de las subunidades de histonas. Las colas de las histonas se insertan en los surcos menores del ADN y se extienden a través de la doble hélice, [1] lo que las deja abiertas a modificaciones involucradas en la activación transcripcional. [3] La acetilación se ha asociado estrechamente con aumentos en la activación transcripcional mientras que la desacetilación se ha relacionado con la desactivación transcripcional. Estas reacciones ocurren después de la traducción y son reversibles. [3]

El mecanismo de acetilación y desacetilación se lleva a cabo en los grupos NH 3 + de los residuos de aminoácidos de la lisina. Estos residuos se encuentran en las colas de las histonas que forman el nucleosoma del dsADN empaquetado. El proceso es facilitado por factores conocidos como histona acetiltransferasas (HAT). Las moléculas de HAT facilitan la transferencia de un grupo acetilo de una molécula de acetil-coenzima A (Acetil-CoA) al grupo NH 3 + de la lisina. Cuando se va a desacetilar una lisina, los factores conocidos como histona desacetilasas (HDAC) catalizan la eliminación del grupo acetilo con una molécula de H 2 O. [3] [4]

La acetilación tiene el efecto de cambiar la carga general de la cola de la histona de positiva a neutra. La formación de nucleosomas depende de las cargas positivas de las histonas H4 y de la carga negativa en la superficie de los dominios de pliegue de las histonas H2A. La acetilación de las colas de las histonas altera esta asociación, lo que conduce a una unión más débil de los componentes nucleosómicos. [1] Al hacer esto, el ADN es más accesible y conduce a que más factores de transcripción puedan llegar al ADN. Por lo tanto, se sabe que la acetilación de las histonas aumenta la expresión de los genes a través de la activación de la transcripción. La desacetilación realizada por las moléculas HDAC tiene el efecto opuesto. Al desacetilar las colas de las histonas, el ADN se envuelve más firmemente alrededor de los núcleos de las histonas, lo que dificulta que los factores de transcripción se unan al ADN. Esto conduce a una disminución de los niveles de expresión génica y se conoce como silenciamiento génico. [5] [6] [7]

Las histonas acetiladas, los núcleos proteicos octoméricos de los nucleosomas, representan un tipo de marcador epigenético dentro de la cromatina. Los estudios han demostrado que una modificación tiene la tendencia a influir en si se producirá otra modificación. Las modificaciones de las histonas no solo pueden causar cambios estructurales secundarios en sus puntos específicos, sino que pueden causar muchos cambios estructurales en lugares distantes que inevitablemente afectan la función. [8] A medida que se replica el cromosoma, las modificaciones que existen en los cromosomas parentales se transmiten a los cromosomas hijos. Las modificaciones, como parte de su función, pueden reclutar enzimas para su función particular y pueden contribuir a la continuación de las modificaciones y sus efectos después de que se haya producido la replicación. [1] Se ha demostrado que, incluso después de una replicación, la expresión de los genes todavía puede verse afectada muchas generaciones de células más tarde. Un estudio mostró que, tras la inhibición de las enzimas HDAC por la tricostatina A, los genes insertados junto a la heterocromatina céntrica mostraron una mayor expresión. Muchas generaciones de células después, en ausencia del inhibidor, la expresión génica aumentada todavía se expresaba, lo que demuestra que las modificaciones pueden llevarse a cabo a través de muchos procesos de replicación, como la mitosis y la meiosis. [8]

Enzimas de acetilación/desacetilación de histonas

La acetilación de histonas altera la estructura de la cromatina. En esta ilustración se muestra el estado dinámico de la acetilación/desacetilación de histonas regulada por las enzimas HAT y HDAC. La acetilación de histonas altera la accesibilidad de la cromatina y permite que las proteínas de unión al ADN interactúen con los sitios expuestos para activar la transcripción génica y las funciones celulares posteriores.

Acetiltransferasa de histonas (HAT)

Las acetiltransferasas de histonas, también conocidas como HAT, son una familia de enzimas que acetilan las colas de histonas del nucleosoma. Esta y otras modificaciones se expresan en función de los distintos estados del entorno celular. [2] Se han documentado muchas proteínas con capacidades de acetilación y, después de un tiempo, se las ha clasificado en función de las similitudes de secuencia entre ellas. Estas similitudes son altas entre los miembros de una familia, pero los miembros de diferentes familias muestran muy poca semejanza. [9] Algunas de las principales familias identificadas hasta ahora son las siguientes.

Familia GNAT

Las N-acetiltransferasas relacionadas con el control general no dereprimible 5 (Gcn5) (GNAT) son una de las muchas familias estudiadas con capacidades de acetilación. [10] Esta superfamilia incluye los factores Gcn5 que se incluye en los complejos SAGA, SLIK, STAGA, ADA y A2, Gcn5L, factor asociado a la proteína de unión a p300/CREB (PCAF) , Elp3 , HPA2 y HAT1 . [10] [11] Las características principales de la familia GNAT incluyen dominios HAT de aproximadamente 160 residuos de longitud y un bromodominio conservado que se ha descubierto que es un motivo de orientación de acetil-lisina. [9] Se ha demostrado que Gcn5 acetila sustratos cuando es parte de un complejo. [11] Se ha descubierto que Gcn5 recombinante está involucrado en la acetilación de las histonas H3 del nucleosoma. [2] [11] En menor medida, se ha encontrado que también acetila histonas H2B y H4 cuando está involucrado con otros complejos. [2] [3] [11] PCAF tiene la capacidad de actuar como una proteína HAT y acetilar histonas, puede acetilar proteínas no histonas relacionadas con la transcripción, así como actuar como un coactivador en muchos procesos, incluyendo la miogénesis , la activación mediada por receptores nucleares y la activación señalizada por factores de crecimiento . Elp3 tiene la capacidad de acetilar todas las subunidades de histonas y también muestra participación en la holoenzima ARN polimerasa II . [2]

Familia MYST

MOZ (proteína de dedo de zinc de leucemia monocítica), Ybf2/Sas3, Sas2 y Tip60 (proteína que interactúa con Tat) forman MYST, otra familia bien conocida que exhibe capacidades de acetilación. Esta familia incluye Sas3, acetiltransferasa esencial relacionada con SAS (Esa1), Sas2, Tip60, MOF, MOZ, MORF y HBO1. Los miembros de esta familia tienen múltiples funciones, no solo con la activación y silenciamiento de genes, sino que también afectan el desarrollo y tienen implicaciones en enfermedades humanas. [11] Sas2 y Sas3 están involucrados en el silenciamiento de la transcripción, MOZ y TIF2 están involucrados en la formación de productos de translocación leucémica mientras que MOF está involucrado en la compensación de dosis en Drosophila . MOF también influye en la espermatogénesis en ratones, ya que está involucrado en la expansión de la fosforilación de H2AX durante las etapas de leptoteno a paquiteno de la meiosis . [12] Los dominios HAT de esta familia tienen aproximadamente 250 residuos que incluyen dominios de unión a zinc ricos en cisteína, así como cromodominios N-terminales. Las proteínas MYST Esa1, Sas2 y Sas3 se encuentran en levaduras, MOF se encuentra en Drosophila y ratones, mientras que Tip60, MOZ, MORF y HBO1 se encuentran en humanos. [9] Tip60 tiene funciones en la regulación de la transcripción genética, se ha descubierto que HBO afecta el proceso de replicación del ADN, MORF es capaz de acetilar histonas libres (especialmente H3 y H4), así como histonas nucleosomales. [2]

Familia p300/CBP

La proteína asociada a adenovirus E1A de 300 kDa (p300) y la proteína de unión a CREB (CBP) conforman la siguiente familia de HAT. [10] Esta familia de HAT contiene dominios HAT que tienen aproximadamente 500 residuos de longitud y contienen bromodominios, así como tres dominios ricos en cisteína-histidina que ayudan con las interacciones proteicas. [9] Se sabe que estas HAT acetilan todas las subunidades de histonas en el nucleosoma. También tienen la capacidad de acetilar y mediar proteínas no histonas involucradas en la transcripción y también están involucradas en el ciclo celular , la diferenciación y la apoptosis . [2]

Otros HAT

Existen otras proteínas que tienen capacidades acetilantes pero difieren en estructura de las familias mencionadas anteriormente. Una HAT se llama coactivador del receptor de esteroides 1 (SRC1) , que tiene un dominio HAT ubicado en el extremo C-terminal de la proteína junto con una hélice-bucle-hélice básica y dominios PAS A y PAS B con un motivo de interacción con el receptor LXXLL en el medio. Otra es ATF-2 que contiene un dominio de activación transcripcional (ACT) y un dominio de unión al ADN con cremallera básica (bZip) con un dominio HAT en el medio. La última es TAFII250 que tiene un dominio de quinasa en la región N-terminal, dos bromodominios ubicados en la región C-terminal y un dominio HAT ubicado en el medio. [13]

Histona desacetilasa (HDAC)

Hay un total de cuatro clases que categorizan las histonas desacetilasas (HDAC). La clase I incluye las HDAC 1 , 2 , 3 y 8. La clase II se divide en dos subgrupos, clase IIA y clase IIB. La clase IIA incluye las HDAC 4 , 5 , 7 y 9 , mientras que la clase IIB incluye las HDAC 6 y 10. La clase III contiene las sirtuinas y la clase IV contiene solo HDAC11 . [5] [6] Las clases de proteínas HDAC se dividen y agrupan en función de la comparación con las homologías de secuencia de Rpd3, Hos1 y Hos2 para las HDAC de clase I, HDA1 y Hos3 para las HDAC de clase II y las sirtuinas para las HDAC de clase III. [6]

HDAC de clase I

HDAC1 y HDAC2

HDAC1 y HDAC2 pertenecen a la primera clase de HDAC y están más estrechamente relacionadas entre sí. [5] [6] Al analizar las secuencias generales de ambas HDAC, se encontró que su similitud era aproximadamente un 82% homóloga. [5] Se ha descubierto que estas enzimas son inactivas cuando se aíslan, lo que llevó a la conclusión de que deben incorporarse con cofactores para activar sus capacidades de desacetilasa. [5] Hay tres complejos proteicos principales en los que HDAC 1 y 2 pueden incorporarse. Estos complejos incluyen Sin3 (llamado así por su proteína característica mSin3A ), complejo de remodelación y desacetilación de nucleosomas (NuRD) y Co-REST . [5] [6] El complejo Sin3 y el complejo NuRD contienen HDAC 1 y 2, la proteína asociada a Rb 48 (RbAp48) y RbAp46 que forman el núcleo de cada complejo. [2] [6] Sin embargo, pueden necesitarse otros complejos para iniciar la máxima cantidad de actividad disponible posible. Las HDAC 1 y 2 también pueden unirse directamente a proteínas de unión al ADN, como Yin y Yang 1 (YY1) , proteína de unión a Rb 1 y Sp1 . [5] Se ha descubierto que las HDAC 1 y 2 expresan funciones reguladoras en genes clave del ciclo celular, incluido p21 . [6]

La actividad de estas HDAC puede verse afectada por la fosforilación . Una mayor cantidad de fosforilación ( hiperfosforilación ) conduce a una mayor actividad de la desacetilasa, pero degrada la formación de complejos entre las HDAC 1 y 2 y entre HDAC1 y mSin3A/YY1. Una cantidad de fosforilación inferior a la normal (hipofosforilación) conduce a una disminución de la cantidad de actividad de la desacetilasa, pero aumenta la cantidad de formación de complejos. Los estudios de mutación encontraron que la mayor fosforilación ocurre en los residuos Ser 421 y Ser 423. De hecho, cuando estos residuos fueron mutados, se observó una reducción drástica en la cantidad de actividad de desacetilación. [5] Esta diferencia en el estado de fosforilación es una forma de mantener un nivel óptimo de fosforilación para garantizar que no haya sobre o subexpresión de desacetilación. Las HDAC 1 y 2 se han encontrado solo exclusivamente en el núcleo . [2] [6] En ratones knock out (KO) de HDAC1 , se encontró que los ratones morían durante la embriogénesis y mostraban una reducción drástica en la producción pero una mayor expresión de los inhibidores de quinasas dependientes de ciclina (CDKIs) p21 y p27 . Ni siquiera la regulación positiva de las otras HDAC de clase I pudo compensar la pérdida de HDAC1. Esta incapacidad para recuperarse de la KO de HDAC1 lleva a los investigadores a creer que hay tanto una singularidad funcional para cada HDAC como una comunicación cruzada regulatoria entre factores. [6]

HDAC3

Se ha descubierto que HDAC3 está más estrechamente relacionado con HDAC8. HDAC3 contiene una región no conservada en la región C-terminal que se encontró que era necesaria para la represión transcripcional, así como su actividad desacetilasa. También contiene dos regiones, una llamada Señal de Localización Nuclear (NLS) y una Señal de Exportación Nuclear (NES) . La NLS funciona como una señal para la acción nuclear, mientras que una NES funciona con HDAC que realizan trabajo fuera del núcleo. La presencia de ambas señales para HDAC3 sugiere que viaja entre el núcleo y el citoplasma . [5] Incluso se ha descubierto que HDAC3 interactúa con la membrana plasmática . [6] Los factores Silencing Mediator for Retinoic Acid and Thyroid Hormone (SMRT) y Nuclear Receptor Co-Repressor (N-CoR) deben ser utilizados por HDAC3 para activarlo. [5] [6] Al hacerlo, adquiere la capacidad de coprecipitar con HDAC 4, 5 y 7. HDAC3 también se puede encontrar en complejo junto con la proteína relacionada con HDAC (HDRP). [5] Se ha descubierto que HDAC 1 y 3 median las interacciones Rb-RbAp48, lo que sugiere que funciona en la progresión del ciclo celular. [5] [6] HDAC3 también muestra participación en la autorrenovación de células madre y un papel independiente de la transcripción en la mitosis . [6]

HDAC8

Se ha descubierto que HDAC8 es más similar a HDAC3. Su característica principal es su dominio catalítico que contiene una región NLS en el centro. Se han encontrado dos transcripciones de esta HDAC que incluyen una transcripción de 2,0 kb y una transcripción de 2,4 kb. [5] A diferencia de las otras moléculas de HDAC, cuando se purifica, esta HDAC demostró ser enzimáticamente activa. [6] En este punto, debido a su reciente descubrimiento, aún no se sabe si está regulada por complejos proteicos correpresores. Los Northern blots han revelado que diferentes tipos de tejidos muestran diversos grados de expresión de HDAC8 [5] pero se ha observado en músculos lisos y se cree que contribuye a la contractilidad. [6]

HDAC de clase II

Clase IIA

Las HDAC de clase IIA incluyen HDAC4 , HDAC5 , HDAC7 y HDAC9 . Se ha descubierto que las HDAC 4 y 5 son las que más se parecen entre sí, mientras que la HDAC7 mantiene un parecido con ambas. Se han descubierto tres variantes de HDAC9, que incluyen HDAC9a, HDAC9b y HDAC9c/HDRP, aunque se sospecha que hay más. Se ha descubierto que las variantes de HDAC9 tienen similitudes con el resto de las HDAC de clase IIA. Para HDAC9, las variantes de empalme pueden verse como una forma de crear un "mecanismo afinado" para los niveles de expresión de diferenciación en la célula. Diferentes tipos de células pueden aprovechar y utilizar diferentes isoformas de la enzima HDAC9, lo que permite diferentes formas de regulación. Las HDAC 4, 5 y 7 tienen sus dominios catalíticos ubicados en el extremo C junto con una región NLS, mientras que HDAC9 tiene su dominio catalítico ubicado en el extremo N. Sin embargo, la variante HDAC9c/HDRP carece de un dominio catalítico pero tiene una similitud del 50% con el extremo N de las HDAC 4 y 5. [5]

Para las HDAC 4, 5 y 7, se han descubierto dominios de unión conservados que se unen a la proteína de unión C-terminal (CtBP) , al factor potenciador de miocitos 2 (MEF2) y al 14-3-3 . [5] [6] Las tres HDAC funcionan para reprimir el factor de transcripción miogénico MEF2, que tiene un papel esencial en la diferenciación muscular como factor de transcripción de unión al ADN. La unión de las HDAC a MEF2 inhibe la diferenciación muscular, que puede revertirse mediante la acción de la quinasa dependiente de Ca 2+ /calmodulina (CaMK) , que funciona para disociar el complejo HDAC/MEF2 fosforilando la porción HDAC. [5] Se ha visto que participan en la hipertrofia celular en la diferenciación de control muscular, así como en la hipertrofia celular en los tejidos musculares y cartilaginosos. [6] Se ha demostrado que las HDAC 5 y 7 funcionan en oposición a la HDAC4 durante la regulación de la diferenciación muscular para mantener un nivel adecuado de expresión. Se ha demostrado que estas HDAC también interactúan con HDAC3 como un factor de co-reclutamiento para los factores SMRT/ N-CoR en el núcleo. Se ha demostrado que la ausencia de la enzima HDAC3 conduce a la inactividad, lo que hace creer a los investigadores que las HDAC 4, 5 y 7 ayudan a la incorporación de reclutadores de unión al ADN para los complejos HDAC que contienen HDAC3 ubicados en el núcleo. [5] Cuando HDAC4 es eliminado en ratones, sufren una hipertrofia pronunciada de condrocitos y mueren debido a una osificación extrema . Se ha demostrado que HDAC7 suprime la apoptosis dependiente de Nur77 . Esta interacción conduce a un papel en la expansión clonal de las células T. Se ha demostrado que los ratones KO HDAC9 sufren hipertrofia cardíaca que se exacerba en ratones que son doblemente KO para HDAC 9 y 5. [6]

Clase IIB

Las HDAC de clase IIB incluyen HDAC6 y HDAC10 . Estas dos HDAC están más estrechamente relacionadas entre sí en la secuencia general. Sin embargo, el dominio catalítico de HDAC6 es más similar a HDAC9. [5] Una característica única de HDAC6 es que contiene dos dominios catalíticos en tándem uno del otro. [5] [6] Otra característica única de HDAC6 es el dominio del motivo de dedo de zinc (HUB) relacionado con HDAC6, SP3 y Brap2 en el extremo C que muestra algunas funciones relacionadas con la ubiquitinación , lo que significa que esta HDAC es propensa a la degradación. [5] HDAC10 también tiene dos dominios catalíticos. Un dominio activo se encuentra en el extremo N y un supuesto dominio catalítico se encuentra en el extremo C [5] [6] junto con un dominio NES. [5] También se han encontrado dos supuestos dominios de unión a Rb en ​​HDAC10, lo que demuestra que puede tener funciones en la regulación del ciclo celular. Se han encontrado dos variantes de HDAC10, ambas con ligeras diferencias en longitud. HDAC6 es la única HDAC que se ha demostrado que actúa sobre la tubulina , actuando como una tubulina desacetilasa que ayuda en la regulación de la motilidad celular dependiente de los microtúbulos . Se encuentra principalmente en el citoplasma, pero se sabe que se encuentra en el núcleo, formando complejos junto con HDAC11. Se ha visto que HDAC10 actúa sobre las HDAC 1, 2, 3 (o SMRT), 4, 5 y 7. Se ha demostrado cierta evidencia de que también puede tener pequeñas interacciones con HDAC6. Esto lleva a los investigadores a creer que HDAC10 puede funcionar más como un reclutador en lugar de un factor para la desacetilación. Sin embargo, los experimentos realizados con HDAC10 mostraron de hecho actividad de desacetilación. [5]

HDAC de clase IV

HDAC11

Se ha demostrado que HDAC11 está relacionada con las HDAC 3 y 8, pero su secuencia general es bastante diferente de la de las otras HDAC, lo que la lleva a estar en su propia categoría. [5] [6] HDAC11 tiene un dominio catalítico ubicado en su extremo N-terminal. No se ha encontrado incorporado en ningún complejo HDAC como Nurd o SMRT, lo que significa que puede tener una función especial única para sí mismo. Se ha descubierto que HDAC11 permanece principalmente en el núcleo. [5]

Funciones biológicas

Regulación de la transcripción

El descubrimiento de que la acetilación de histonas causa cambios en la actividad de transcripción se remonta al trabajo de Vicent Allfrey y colegas en 1964. [14] El grupo planteó la hipótesis de que las proteínas histonas modificadas por grupos acetilo añadían cargas negativas a las lisinas positivas y, por tanto, reducían la interacción entre el ADN y las histonas . [15] La modificación de histonas se considera ahora un mecanismo regulador importante que está implicado en muchas etapas diferentes de las funciones genéticas. [16] Nuestro conocimiento actual es que los residuos de lisina acetilados en las colas de las histonas están asociados con la activación transcripcional. A su vez, las histonas desacetiladas están asociadas con la represión transcripcional. Además, se han encontrado correlaciones negativas entre varias marcas de acetilación de histonas. [17]

Se cree que el mecanismo regulador es doble. La lisina es un aminoácido con una carga positiva cuando no se modifica. Las lisinas en las colas amino terminales de las histonas tienen una tendencia a debilitar la estructura general de la cromatina. La adición de un grupo acetilo, que lleva una carga negativa, elimina eficazmente la carga positiva y, por lo tanto, reduce la interacción entre la cola de la histona y el nucleosoma . [18] Esto abre el nucleosoma, normalmente muy compacto, y permite que la maquinaria de transcripción entre en contacto con la plantilla de ADN, lo que conduce a la transcripción genética . [1] : 242  La represión de la transcripción genética se logra mediante el mecanismo inverso. El grupo acetilo es eliminado por una de las enzimas HDAC durante la desacetilación, lo que permite que las histonas interactúen con el ADN de forma más estrecha para formar un ensamblaje de nucleosomas compactos. Este aumento de la estructura rígida impide la incorporación de la maquinaria transcripcional, silenciando eficazmente la transcripción genética.

Otra implicación de la acetilación de histonas es proporcionar una plataforma para la unión de proteínas. Como modificación postraduccional , la acetilación de histonas puede atraer proteínas a la cromatina alargada que ha sido marcada por grupos acetilo. Se ha planteado la hipótesis de que las colas de histonas ofrecen sitios de reconocimiento que atraen proteínas responsables de la activación transcripcional. [19] A diferencia de las proteínas del núcleo de histonas, las colas de histonas no son parte del núcleo del nucleosoma y están expuestas a la interacción de proteínas. Un modelo propuso que la acetilación de histonas H3 activa la transcripción génica atrayendo otros complejos relacionados con la transcripción. Por lo tanto, la marca de acetilo proporciona un sitio para el reconocimiento de proteínas donde los factores de transcripción interactúan con las colas de histonas acetiladas a través de su bromodominio . [20]

Hipótesis del código de histonas

La hipótesis del código de histonas sugiere la idea de que los patrones de modificaciones postraduccionales en las histonas, colectivamente, pueden dirigir funciones celulares específicas. [21] Las modificaciones químicas de las proteínas histonas a menudo ocurren en aminoácidos particulares. Esta adición específica de modificaciones simples o múltiples en los núcleos de las histonas puede ser interpretada por factores de transcripción y complejos que conducen a implicaciones funcionales. Este proceso es facilitado por enzimas como HAT y HDAC que agregan o eliminan modificaciones en las histonas, y factores de transcripción que procesan y "leen" los códigos de modificación. El resultado puede ser la activación de la transcripción o la represión de un gen. Por ejemplo, la combinación de acetilación y fosforilación tiene efectos sinérgicos en el nivel de condensación estructural general de los cromosomas y, por lo tanto, induce la activación de la transcripción del gen temprano inmediato . [22]

Los experimentos que investigaron los patrones de acetilación de las histonas H4 sugirieron que estos patrones de modificación se mantienen colectivamente en la mitosis y la meiosis para modificar la expresión génica a largo plazo. [8] El patrón de acetilación está regulado por las enzimas HAT y HADC y, a su vez, establece la estructura local de la cromatina. De esta manera, los patrones de acetilación se transmiten y se interconectan con la capacidad de unión a proteínas y las funciones en la generación celular posterior.

Bromodominio

El bromodominio es un motivo que es responsable del reconocimiento de la lisina acetilada en las histonas por las proteínas de remodelación de nucleosomas. Las modificaciones postraduccionales de las colas de histonas N- y C-terminales atraen varios factores de iniciación de la transcripción que contienen bromodominios, incluido el coactivador transcripcional humano PCAF , TAF1 , GCN5 y la proteína de unión a CREB (CBP), al promotor y tienen importancia en la regulación de la expresión génica. [23] El análisis estructural de los factores de transcripción ha demostrado que los bromodominios altamente conservados son esenciales para que la proteína se una a la lisina acetilada. Esto sugiere que la acetilación de un sitio específico de la histona tiene un papel regulador en la activación transcripcional génica. [24]

Enfermedades humanas

Enfermedades inflamatorias

La expresión génica está regulada por la acetilación y desacetilación de histonas, y esta regulación también es aplicable a los genes inflamatorios. Las enfermedades pulmonares inflamatorias se caracterizan por la expresión de genes inflamatorios específicos como el factor de transcripción NF-κB y AP-1 . Los tratamientos con corticosteroides y teofilina para las enfermedades pulmonares inflamatorias interfieren con la actividad de HAT/HDAC para desactivar los genes inflamatorios. [25]

En concreto, los datos de expresión genética demostraron un aumento de la actividad de HAT y una disminución del nivel de actividad de HDAC en pacientes con asma . [26] Los pacientes con enfermedad pulmonar obstructiva crónica mostraron una disminución general de la actividad de HDAC con niveles inalterados de actividad de HAT. [27] Los resultados han demostrado que existe un papel importante para el equilibrio de la actividad de HAT/HDAC en las enfermedades pulmonares inflamatorias y han proporcionado información sobre posibles objetivos terapéuticos. [28]

Cáncer

Debido al papel regulador durante la transcripción de las modificaciones epigenéticas en los genes, no es sorprendente que los cambios en los marcadores epigenéticos , como la acetilación, puedan contribuir al desarrollo del cáncer. La expresión y actividad de las HDAC en las células tumorales es muy diferente de las células normales. Se ha demostrado que la sobreexpresión y el aumento de la actividad de las HDAC son características de la tumorigénesis y la metástasis , lo que sugiere un importante papel regulador de la desacetilación de histonas en la expresión de genes supresores de tumores. [29] Uno de los ejemplos es el papel regulador de la acetilación/desacetilación de histonas en P300 y CBP, que contribuyen a la oncogénesis . [30]

Aprobado en 2006 por la Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos (FDA), Vorinostat representa una nueva categoría de medicamentos contra el cáncer que se encuentran en desarrollo. Vorinostat se dirige a los mecanismos de acetilación de histonas y puede inhibir eficazmente la remodelación anormal de la cromatina en las células cancerosas. Los objetivos de Vorinostat incluyen HDAC1 , HDAC2 , HDAC3 y HDAC6 . [31] [32]

La disponibilidad de fuentes de carbono se refleja en la acetilación de histonas en el cáncer. La glucosa y la glutamina son las principales fuentes de carbono de la mayoría de las células de los mamíferos, y el metabolismo de la glucosa está estrechamente relacionado con la acetilación y desacetilación de histonas. La disponibilidad de glucosa afecta al acervo intracelular de acetil-CoA, un intermediario metabólico central que también es el donante de acetilo en la acetilación de histonas. La glucosa se convierte en acetil-CoA por el complejo de piruvato deshidrogenasa (PDC), que produce acetil-CoA a partir del piruvato derivado de la glucosa; y por la adenosina trifosfato-citrato liasa (ACLY), que genera acetil-CoA a partir del citrato derivado de la glucosa. La actividad de PDC y ACLY depende de la disponibilidad de glucosa, que por tanto influye en la acetilación de histonas y, en consecuencia, modula la expresión génica y la progresión del ciclo celular. La desregulación de ACLY y PDC contribuye a la reprogramación metabólica y promueve el desarrollo de múltiples cánceres. Al mismo tiempo, el metabolismo de la glucosa mantiene la relación NAD+/NADH, y el NAD+ participa en la desacetilación de histonas mediada por SIRT. La actividad de la enzima SIRT se altera en diversas neoplasias malignas, y la inhibición de SIRT6, una histona desacetilasa que actúa sobre H3K9 y H3K56 acetiladas, promueve la tumorogénesis. SIRT7, que desacetila H3K18 y, por lo tanto, reprime la transcripción de genes diana, se activa en el cáncer para estabilizar las células en el estado transformado. Los nutrientes parecen modular la actividad de SIRT. Por ejemplo, los ácidos grasos de cadena larga activan la función desacetilasa de SIRT6, y esto puede afectar la acetilación de histonas. [33]

Adicción

Las modificaciones epigenéticas de las colas de histonas en regiones específicas del cerebro son de importancia central en las adicciones , y gran parte del trabajo sobre la adicción se ha centrado en la acetilación de histonas. [34] [35] [36] Una vez que ocurren alteraciones epigenéticas particulares, parecen ser "cicatrices moleculares" duraderas que pueden explicar la persistencia de las adicciones. [34] [37]

Los fumadores de cigarrillos (alrededor del 21% de la población de EE. UU. [38] ) suelen ser adictos a la nicotina . [39] Después de 7 días de tratamiento con nicotina en ratones, la acetilación tanto de la histona H3 como de la histona H4 aumentó en el promotor FosB en el núcleo accumbens del cerebro, lo que provocó un aumento del 61% en la expresión de FosB. [40] Esto también aumentaría la expresión de la variante de empalme Delta FosB . En el núcleo accumbens del cerebro, Delta FosB funciona como un "interruptor molecular sostenido" y una "proteína de control maestro" en el desarrollo de una adicción . [41] [42]

Alrededor del 7% de la población estadounidense es adicta al alcohol . En ratas expuestas al alcohol durante hasta 5 días, se observó un aumento de la acetilación de la histona 3 lisina 9 en el promotor de la pronociceptina en el complejo amigdalino cerebral . Esta acetilación es una marca activadora de la pronociceptina. El sistema de receptores opioides nociceptina/nociceptina está involucrado en los efectos reforzantes o condicionantes del alcohol. [43]

La adicción a la cocaína afecta aproximadamente al 0,5% de la población estadounidense. La administración repetida de cocaína a ratones induce la hiperacetilación de la histona 3 (H3) o la histona 4 (H4) en 1.696 genes de una región de "recompensa" del cerebro [el núcleo accumbens (NAc)] y la desacetilación en 206 genes. [44] [45] Se descubrió que al menos 45 genes, que en estudios previos se habían demostrado que estaban regulados positivamente en el NAc de ratones después de la exposición crónica a la cocaína, estaban asociados con la hiperacetilación de H3 o H4. Muchos de estos genes individuales están directamente relacionados con aspectos de la adicción asociados con la exposición a la cocaína. [45] [46]

En modelos de roedores, muchos agentes que causan adicción, incluidos los productos derivados del humo del tabaco, [47] el alcohol, [48] la cocaína, [49] la heroína [50] y la metanfetamina, [51] [52] causan daños en el ADN del cerebro. Durante la reparación de los daños en el ADN, algunos eventos de reparación individuales pueden alterar las acetilaciones de las histonas en los sitios del daño, o causar otras alteraciones epigenéticas, y así dejar una cicatriz epigenética en la cromatina . [37] Es probable que dichas cicatrices epigenéticas contribuyan a los cambios epigenéticos persistentes que se encuentran en las adicciones.

En 2013, 22,7 millones de personas de 12 años o más necesitaron tratamiento por un problema de consumo de drogas ilícitas o alcohol (el 8,6 por ciento de las personas de 12 años o más). [38]

Otros trastornos

La idea de que la estructura de la cromatina puede modificarse para permitir o denegar el acceso de activadores de la transcripción sugiere que las funciones reguladoras de la acetilación y desacetilación de histonas pueden tener implicaciones en los genes que causan otras enfermedades. Los estudios sobre las modificaciones de las histonas pueden revelar muchos objetivos terapéuticos novedosos.

Basándose en diferentes modelos de hipertrofia cardíaca , se ha demostrado que el estrés cardíaco puede producir cambios en la expresión génica y alterar la función cardíaca. [53] Estos cambios están mediados por la señalización de modificación postraduccional de HAT/HDAC. Se informó que el inhibidor de HDAC tricostatina A reduce la autofagia de cardiomiocitos inducida por estrés . [54] Estudios sobre p300 y la proteína de unión a CREB vincularon la hipertrofia cardíaca con la actividad HAT celular, lo que sugiere un papel esencial del estado de acetilación de histonas con genes sensibles a la hipertrofia como GATA4 , SRF y MEF2 . [55] [56] [57] [58]

Las modificaciones epigenéticas también desempeñan un papel en los trastornos neurológicos. Se ha descubierto que la desregulación de la modificación de las histonas es responsable de la expresión génica desregulada y, por lo tanto, está asociada con trastornos neurológicos y psicológicos, como la esquizofrenia [59] y la enfermedad de Huntington [60] . Los estudios actuales indican que los inhibidores de la familia HDAC tienen beneficios terapéuticos en una amplia gama de trastornos neurológicos y psiquiátricos [61] . Muchos trastornos neurológicos solo afectan a regiones cerebrales específicas; por lo tanto, aún se requiere comprender la especificidad de las HDAC para realizar más investigaciones para mejorar los tratamientos.

Véase también

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  • Animación de la acetilación y desacetilación de la cola de histona: [1]
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